钽金属在骨科的临床应用

【摘要】  ：金属材料及其合金已在临床医学的各个领域得到广泛应用，并取得了显著的临床疗效。随着科技的不断发展，制备工艺的不断提高，越来越多的金属及合金材料应用到临床中。近年来，钽金属以其稳定的生物学特性、良好的生物相容性和特有的结构性质引起医学界，特别是骨科领域的广泛关注。本文就目前钽金属在骨科临床的应用现状作一综述。

【关键词】  多孔钽　骨科　临床应用

　　Clinical application of tantalum in orthopedics

　　ZHAN Ce,WANG Zhiwei.

　　Orthopedic Department,Changhai Hospital of the Second Military Medical University,Shanghai 200433,China

   　 Abstract：Metal material and alloy have been extensively used in clinical medicine,and have get remarkably effect.With the development of technology,much metal and alloy will be used in clinical medicine.In recent years,the metal tantalum has been the focus in medicine,especially in orthopedics,because of the stable biological character,good compatibility and typical structural nature.This article overviews the current situation of the tantalum used in orthopedics.

   　 Key words：porous tantalum;  orthopedics;  clinical application

　　1  概  述

   　 医用金属及其合金，如钛、钴、铬等，已经广泛应用于临床医学的各个领域，特别是骨科，并取得了显著的临床疗效。近年来，对钽金属研究的不断深入和初步临床应用都取得了令人鼓舞的结果，使得钽金属有望成为骨科临床领域应用材料方面一个新的发展方向。

    　钽(tantalum)，第73号元素。纯钽是一种灰色、光亮、坚硬的金属，化学性质极为稳定。早在1802年，瑞典化学家瑞克贝格就发现了钽元素，1903年鲍尔登制得了金属钽。然而直到上世纪四、五十年代才开始大量应用这种难熔金属及其合金。由于其具有熔点高、强度大、抗磨损、耐腐蚀等良好的物理和化学特性，钽金属被广泛地应用于电容器、化学反应装置、核反应堆、航空航天器和导弹的制造。

　　2  钽金属的生物学特性

　　2.1  体内的吸收与代谢 

　　正常人体内含有微量的钽，不溶性的钽盐经口或局部注射均不吸收；可溶性的钽盐由胃肠道吸收的量也极少。有报道因事故摄入放射性钽尘的人，7 d内大便排出97％，24 h内尿中未检出［1］。

　　2.2  生物毒性

    　生物体内清除钽的主要载体是AM(吞噬细胞)。实验显示，体内AM在接触钽尘1 h后，均保持存活且无细胞变性，仅伴有葡萄糖氧化的明显增加，而相同条件下矽尘则可使AM出现严重胞浆变性和死亡，这说明钽是无细胞毒性的［2］，对人体没有任何毒害作用。

　　2.3  生物相容性

   　 钽在生物体内呈惰性，在水及酸性环境中均不溶解，常温下完全不发生化学反应，这使得钽具有良好的生物相容性。

   　 1940年纯金属钽首次被应用于医疗，除1例体内置入钽钉后出现慢性荨麻疹的病例报道外［3］，大多数报道认为金属钽作为人体植入物未发现任何不良反应［4，5］。由于钽具有稳定的生物学特性，它在现代医学界，特别是骨科领域发挥着重要作用。

　　3  钽金属在创伤骨科的应用

　　3.1  钽金属丝

　　3.1.1  可作为手术缝合线 

　　钽可制成比头发丝更细的细丝，作为手术使用的缝线，对断裂的跟腱等部位进行缝合。这种缝线甚至可以代替肌腱和神经纤维。

　　3.1.2  治疗髌骨等部位骨折 

　　徐皓等［6］报道了33例采用钽丝环扎内固定治疗各种类型髌骨骨折病例，术后随访5个月～16年，除2例出现轻度创伤性关节炎外，其余31例均取得良好疗效，无并发症。用钽丝治疗髌骨骨折的优点在于：(1)钽丝强度高、拉力大、弹性小、韧性好，易打紧、打结，固定牢靠；(2)钽丝耐腐蚀性及生物相容性极好，对人体无毒无害，不需再次手术取出，可终生携带；(3)钽丝环扎内固定操作简单，手术创伤小，时间短，术后病人可早期活动膝关节，防止关节僵硬及肌肉萎缩；(4)钽丝环扎适应证广，不仅对髌骨横行及粉碎性骨折疗效好，同时也适用于其他部位的骨折。

　　3.2  钽金属条、棒

    　随着科学技术的发展和钽制备工艺的完善，多孔钽及其金属植入物应运而生。多孔钽是按照所期待的使用性能，通过某种方法在金属钽的内部形成一定大小和密度的孔隙，使其在获得足够机械强度的同时，具有介于皮质骨和松质骨之间的弹性模量(约3 GPa)，可起到良好的支撑作用。同时多孔钽合适的孔隙大小和孔隙率，有利于植入后骨和周围软组织的长入，达到远期稳定的目的。Veillette等［7］对Steinberg分期I～Ⅲ期的52例患者共58侧髋(Ⅰ期1髋、Ⅱ期49髋、Ⅲ期8髋)进行了髓芯减压加多孔钽条植入手术，术后随访48个月，其中有9髋(Ⅱ期6髋、Ⅲ期3髋)因最终股骨头坏死塌陷而行全髋关节置换术，其余股骨头均存活良好。Tsao等［8］对98例股骨头缺血性坏死患者共113侧髋进行了相同的手术，术后4年股骨头的存活率高达72.5％，影像学分析显示没有病例出现异常的骨密度，没有假体松动及放射性透光线的表现，治疗效果令人满意。近年来基于这一原理设计并制造的骨小梁金属重建棒(钽金属棒)的临床应用表明，多孔钽金属棒对早期股骨头缺血性坏死的治疗效果令人满意。

　　4  多孔钽金属在人工关节外科的应用

　　4.1  髋臼杯假体

   　 1994年出现了多孔钽一体化髋臼假体。1997年，美国FDA就批准了多孔钽用于制造人工髋臼假体。这种髋臼假体具有三大优点：（1)多孔钽表面的高摩擦系数，可以增加髋臼置入的初期稳定性；（2)多孔钽的低弹性模量，可以减少髋臼骨质的应力遮挡性丢失；（3)多孔钽的高孔隙率导致的全层骨长入，可以增强植入髋臼的远期稳定性。
   
　　Gruen等［9］对542例患者所植入的574个多孔钽髋臼假体进行了24～58个月的随访。结果显示，术后早期在80个髋臼的100个X线分区上出现了假体与骨性髋臼间的间隙，但在随访结束时，84个间隙已在X线片上完全消失，这表明有骨长入假体臼杯，即便是初期宽达4～5 mm的间隙也被完全填充。Unger等［10］进一步将多孔钽髋臼应用到髋臼假体的翻修中。在60例病例，平均42个月的随访中，患者的髋关节Harris评分都有明显提高，术后X线片也显示了骨长入多孔钽臼杯。在更复杂的髋臼翻修中，带螺钉孔的多孔钽臼杯、多种形状的多孔钽支架等都有试验性地应用于临床。

　　4.2  胫骨平台假体

   　 多孔钽一体化髋臼假体的设计思路，也应用于人工膝关节置换胫骨平台假体的设计和生产中，并且多孔钽+聚乙烯的一体化胫骨平台假体已经问世。与传统的钴铬钼合金+聚乙烯组配式胫骨平台假体相比，多孔钽假体为聚乙烯衬垫底面磨损和金属托应力遮挡两个备受关注的问题提供了全新的解决方案。

    　在Florio等人［11］的初步临床报告中，86例患者的101侧初次全膝关节置换应用了这种多孔钽一体化胫骨平台。其中72侧完全采用非骨水泥植入，另外29侧仅在胫骨托的底面使用骨水泥。术后2年的随访中，假体-骨界面没有发现进展性的X线透亮线，且无1例需要翻修。

　　4.3  髌骨假体

 　   多孔钽全髌骨假体由3部分组成：（1）如围棋子样的多孔钽，其隆起的一面与残存的髌骨床或者直接与髌韧带相贴，其平坦的一面则通过骨水泥与常规的聚乙烯人工髌骨相结合；（2）在多孔钽周缘有一圈纯钛的边沿，其上有孔，通过该孔将全髌骨假体缝合到髌韧带上，以获得初期固定；（3）聚乙烯人工髌骨，一面与多孔钽相互结合，另一面与股骨滑车相关节。

   　 多孔钽全髌骨假体的出现，为解决髌骨切除术后或髌骨严重缺损的患者行人工全膝关节置换术后由于伸膝装置结构不全、功能不良，导致手术效果大受影响的问题带来了新的希望。Nasser等［12］对11例患者行全膝关节置换后置入了多孔钽髌骨假体，并进行了32个月的随访，术后X线检查显示：假体稳定，患者膝关节活动度(range of motion，ROM)从术前的62°提高到103°。这11例患者的临床报告说明，多孔钽全髌骨假体的疗效是安全、有效的。

　　4.4  保肢定制假体

  　  多孔钽还用于骨肿瘤切除肢体重建和严重创伤骨缺损后假体的定制，主要是各种垫块、组配式外套等。由于多孔钽机械强度的局限性，通常不用来制造股骨柄、股骨髁等假体，但并不影响其发挥独特的局部支撑和传导成骨作用。Chalkin等［13］的个案报告很好地说明了这一点。Chalkin、Minter［14］报道利用多孔钽定制假体来修复患肢功能，近期随访结果令人满意。

　　4.5  特殊部位假体或填塞物

   　 多孔钽还广泛应用于关节翻修手术甚至关节软骨的修复。Radnay［15］对10例全膝关节置换术后存在严重胫骨假体周围骨缺损和关节不稳的患者实施关节翻修手术，他利用多孔钽制成的锥形体来填补缺损，并于胫骨假体间进行相关固定后对其进行平均10个月的随访，所有患者X线片均未见明显的假体松动、移位现象。Sporer［16］Mardones［17］也分别报道多例利用多孔钽进行全髋关节假体翻修手术，均取得满意的疗效。

  　  目前有关于多孔钽用于肩关节置换、四肢关节融合的相关研究［19］，但尚缺少大样本病例应用及其临床疗效的相关报道。作者相信随着研究的不断深入，多孔钽将在关节外科领域得到广泛应用。

　　5  多孔钽金属在脊柱外科的应用

    　多孔钽金属具有特殊的结构性能及适合组织长入的特性，脊柱外科继关节成型术后也开始利用钽金属的这种特性，并主要用于颈椎和腰椎融合装置的研究。Zou等［20］在动物实验中，比较多孔钽和碳纤素2种不同材料制成的椎间融合器的融合效果，并应用影像学及组织学进行评价。材料植入6个月后结果显示：在联合应用椎弓根螺钉固定的多孔钽组具有更高的椎间融合率(P=0.03)，且在形态学上，多孔钽椎间融合器比碳纤素组具有更多的新骨长入，而碳纤素组则有较多的纤维组织长入。通过该实验，Zou等认为多孔钽椎间融合器优于碳纤素椎间融合器。Wiglield等［21］对20例患者用多孔钽椎间融合器加自体部分髂骨进行颈椎融合手术，术后12个月所有患者均达到良好的椎间融合。Schoettle等［22］也对50例患者共61个节段进行颈椎椎间融合手术，术中应用多孔钽椎间融合器加前路钢板辅助固定，术后随访2年，均达到良好的融合，且稳定可靠。
   
　　由于多孔钽用于脊柱外科领域的时间尚短，积累的经验和临床资料相对较少，且缺乏大样本量的中远期随访报道，所以还有待于进一步的深入研究。

　　6  展 望
   
　　虽然钽金属及其合金材料在医学领域，特别是骨科领域的应用近年来广受关注，并且取得了不错的短期临床疗效。但多孔钽材料在理论上的优势仍有待于更充分的临床证据和中长期的临床疗效随访结果来证明。相信通过临床医务人员和工程师们的不懈努力，钽金属及其合金材料必将在骨科领域发挥更重要的作用。

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作者单位：第二军医大学附属长海医院骨科，上海市杨浦区长海路174号 200433